Handboek Zone 5-6 thema 1 kijken vanuit de ruimte PDF

Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 1 Het ontstaan van het heelal 2 Het ontstaan van materie 3 De structuur van het heelal 4 De Melkweg 5 Een evoluerend heelal 1.2 Het zonnestelsel 6 Het ontstaan van de zon 7 H...

Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 1 Het ontstaan van het heelal 2 Het ontstaan van materie 3 De structuur van het heelal 4 De Melkweg 5 Een evoluerend heelal 1.2 Het zonnestelsel 6 Het ontstaan van de zon 7 Het ontstaan van planeten en manen 8 Het ontstaan van andere leden van het zonnestelsel 9 Structuur van het zonnestelsel 10 De evolutie van de zon 1.3 Het ontstaan van het systeem aarde 11 Het systeem aarde 12 De geosfeer 13 Het ontstaan van atmosfeer en hydrosfeer 14 Opbouw van de huidige atmosfeer Thema 2 Kijken in de aarde Thema 3 Kijken vanop de aarde Thema 4 Kijken in de tijd Thema 5 Interactie Thema 6 Inrichting van de ruimte Thema 7 Onderzoek in eigen omgeving  1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal Een ruimteschip reist door het heelal. De instrumenten aan boord leggen beelden vast van wolken, gas, miljarden sterren en hun bewegingen. Hoe is de ruimte en de materie ontstaan? Wat deed die beweging op gang komen? Hoe kan er structuur in de ruimte worden gebracht? 1 Het ontstaan van het heelal Een observerende wetenschap Kosmografie is zo oud als de mensheid. Duizenden jaren geleden al bewonderden onze voorouders de schitterende aanblik van de nachtelijke hemel. Kosmos is het Griekse woord voor ‘orde’. Deze orde in het heelal werd in veel culturen als goddelijk beschouwd. Hemellichamen kregen vaak goddelijke namen: Venus, Mars, Jupiter … De kosmos had dus een spirituele rol. Daarnaast bood hij onze voorouders ook een houvast. Lang voor de uitvinding van het kompas gebruikten scheepslui de sterrenhemel om te navigeren. De regelmaat van de bewegingen van de hemellichamen stelde de mens 1.1 Het sterrenbeeld Orion in staat om de tijd in te delen en te plannen. De tijdstippen In de oudheid zagen mensen in bepaalde sterrenpatronen de vorm van waarop het regenseizoen of hoogwater kon verwacht dieren of mythologische figuren: sterrenbeelden. Elk patroon kreeg een naam: Orion, de Grote Beer, de Zwaan... De patronen in sterrenbeelden worden en waarop gezaaid of geoogst moest worden, zijn maar schijn: sterren die gezien vanaf de aarde bij elkaar in de buurt werden aangekondigd door de stand van de maan, de staan, staan in werkelijkheid vaak op zeer verschillende afstanden. planeten of de sterrenbeelden. Afstandsmaten in het heelal Wie de hemel in kaart wil brengen, heeft instrumenten De verste planeet, Neptunus, bevindt zich op 30 AE. nodig om afmetingen en afstanden weer te geven. Proxima Centauri, na de zon de dichtstbijzijnde ster, staat op Buiten de aarde worden afstanden uitgedrukt in kilometer 265 000 AE. Het is duidelijk dat er buiten ons zonnestelsel al snel heel groot. Zo is de afstand tussen de aarde en niet langer gerekend kan worden met de astronomische de maan gemiddeld 384 000 km en staat de zon op eenheid. Een eenheid om met grotere afstanden te kunnen gemiddeld 150 miljoen km van de aarde. Daarom gebruikt werken, is het lichtjaar. Het is de afstand die het licht de kosmografie andere afstandsmaten. aflegt met een snelheid van 300 000 km/s in één jaar. Wetenschappers gebruiken onder meer de astronomische Proxima Centauri staat op 4,2 lichtjaar, de Poolster op eenheid. Eén astronomische eenheid of AE is de gemiddelde 432 lichtjaar. Het licht van de Poolster doet er dus 432 jaar afstand tussen de aarde en de zon. Deze afstand bedraagt over om tot op de aarde te raken. De dichtste ster, onze gemiddeld 150 miljoen km. Deze maat wordt gebruikt om zon, staat op acht lichtminuten en twintig lichtseconden de afstanden tot andere hemellichamen te vergelijken van de aarde. binnen ons zonnestelsel, zoals de zon en haar planeten. afstand tot de zon afstandsmaat afkorting waarde aarde Neptunus Proxima Centauri astronomische eenheid AE 150.106 km 1 AE 30 AE 265 000 AE 63 241 AE of 8 lichtminuten lichtjaar lj 4 lichturen 4,2 lj 9,46.1012 km 20 lichtseconden 1.2 Verschillende afstandsmaten in het heelal 8 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte De oerknal Het heelal is dynamisch. Het evolueert voortdurend. Het prille compacte heelal was onvoorstelbaar heet, maar De meeste wetenschappers nemen aan dat het heelal tot koelde bij het uitdijen systematisch af. Een deel van de stand kwam door een gloeiend heet en dens ‘oeratoom’ warmtestraling, vrijgekomen bij de oerknal, bereikt ons dat plots razendsnel expandeerde en waarbij tijd, ruimte, nu pas, nadat zij al die tijd door de uitdijende, afkoelende massa en energie zijn ontstaan. Dit werd voor het ruimte heeft gereisd. Deze kosmische achtergrondstraling eerst beschreven door de Belg Georges Lemaître als de heeft vandaag nog een temperatuur van ongeveer drie theorie van de oerknal of de big bang. Wetenschappers kelvin. Ze komt van de verste uiteinden van het heelal, berekenden dat de oerknal 13,82 miljard jaar geleden heeft uit alle richtingen, met gelijke sterkte op ons af en werd plaatsgevonden. in 1965 toevallig ontdekt. Deze achtergrondstraling vormt een overtuigende ondersteuning van het beeld van een hete oerknal en de verdere ontwikkeling van het pasgeboren heelal. 2 Het ontstaan van materie Een donkere periode nu 3K tijd na oerknal temperatuur van het heelal De eerste fracties van seconden na de oerknal zag het heelal er helemaal anders uit. Door de hoge temperatuur elektro- en dichtheid gingen de verschillende vormen van massa zwakke magnetische kernkracht en straling spontaan in elkaar over. De natuurkrachten kracht waren onherkenbaar samengebald in één oernatuurkracht. Naarmate het heelal groeide en afkoelde, begon het zich 10-10s 1015K stapsgewijs te vormen en te organiseren. elektro- zwakke elektro- In de eerste 10 s na de oerknal splitste de zwaartekracht -43 kracht zwak zwaarte- tijdperk of gravitatiekracht zich als eerste natuurkracht af van sterke kracht de oerkracht. Na 10-35 s kwam ook de sterke kernkracht kernkracht 10-35s 1027K los, waarna het heelal plots razendsnel vergrootte, dit gut is inflatie (1.5). De laatste natuurkrachten, de zwakke tijdperk kernkracht en de elektromagnetische kracht ontkoppelden 10-43s 1032K na 10-10 s, toen het koel genoeg was. Sindsdien gelden de natuurwetten zoals ze vandaag zijn. Hun samenspel bepaalt de opeen­volgende gebeurtenissen. Planck tijdperk In de eerste seconde na de oerknal raakt het heelal ook gevuld met minuscule deeltjes, waaronder protonen, neutronen, elektronen en lichtdeeltjes (fotonen). Ze oerkracht zijn niet gelijkmatig verdeeld over de ruimte. Door de inflatie zijn er kleine dichtheidsverschillen en dus kleine temperatuurverschillen ontstaan. 1.3 Het ontstaan van de vier natuurkrachten 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 9  Vanaf minuut twee kunnen protonen en neutronen Kosmische achtergrondstraling samenkomen. Ze vormen kernen van waterstof, helium Kosmische achtergrondstraling in het heelal, waargenomen en (in mindere mate) lithiumatomen. Dit proces, de door de satelliet WMAP tussen 2001 en 2010. De afbeelding toont de hele kleine temperatuurverschillen in het jonge heelal, nucleosynthese, gaat ongeveer een halfuur door. De ontstaan door een verschil in dichtheid. De temperatuurver- jonge atoomkernen zijn nu omgeven door een zee van vrij schillen bedragen 1/100 000 °C. De blauwe vlekken geven bewegende elektronen waartussen zich de lichtdeeltjes de koudere, ijle gebieden weer, de rode vlekken de densere, bevinden. Telkens als een lichtdeeltje op een elektron botst, warmere regio’s waar later sterrenstelsels zullen ontstaan. verandert het van richting maar blijft het gevangen in de zee van elektronen. Het maakt het heelal ondoorzichtig zoals mist. Na 380 000 jaar wordt het heelal doorzichtig. Het is afgekoeld tot enkele duizenden graden Celsius. Bij deze temperatuur kunnen elektronen en atoomkernen samenkomen tot neutrale atomen. De elektronen zitten gevangen, waardoor de lichtdeeltjes nu ruimte krijgen om te bewegen zonder voortdurend op geladen deeltjes af te ketsen. Een deel van deze lichtdeeltjes reist nog altijd door 1.4 Kosmische achtergrondstraling de ruimte en wordt op aarde waargenomen als kosmische achtergrondstraling (1.4). ie ? rg ene ere nk do eerste sterren 200 000 000 jaar na de big bang inflatie nu big bang 13 820 000 000 jaar na de big bang kosmische achtergrondstraling 400 000 jaar na de big bang eerste sterrenstelsels 200 000 000 jaar na de big bang vorming van ons zonnestelsel 8 700 000 000 jaar na de big bang 1.5 Ontstaan en evolutie van het heelal 10 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  3 De structuur van het heelal Kleine dichtheidsverschillen in het heelal bepalen het Clusters zijn op hun beurt gegroepeerd in superclusters. De verdere verloop. De gravitatiekracht trekt steeds meer Lokale Groep vormt met honderd andere clusters de Lokale materie naar gebieden die een grotere dichtheid hebben. Supergroep (1.7). Ook superclusters zijn gravitationeel De ijlere regio’s worden daardoor nog leger. De densere gebonden tot een dradig netwerk van muren. De Lokale gebieden trekken samen tot een netwerk van filamenten Supergroep vormt zo slechts een onbetekenend stukje en knooppunten van de atomen waterstof en helium. van de Grote Muur van Sloan: zo’n 500 miljoen lichtjaar In de knooppunten worden sterren geboren. Het zijn in lang en 300 miljoen lichtjaar breed en omgeven door een feite gaswolken die door de samentrekking zo heet worden enorme leegte. dat er kernfusies in plaatsvinden en ze licht uitzenden. Zo lijkt het heelal op een schuimbad, met lege zeepbellen De sterren blijven samen door de gravitatiekracht die ze omgeven door wanden die bestaan uit superclusters, op elkaar uitoefenen en vormen een sterrenstelsel. In clusters, sterrenstelsels en sterren. sterrenstelsels komen sterren soms geconcentreerd voor in sterrenhopen. Sterren in één sterrenhoop hebben vaak dezelfde oorsprong en blijven door de zwaartekracht op z’n minst enige tijd samen. Ons heelal bevat vandaag ontelbare sterrenstelsels, vaak slechts zichtbaar als een vlekje aan de sterrenhemel. Naast zo’n 100 miljard sterren bevatten deze sterrenstelsels ook gas, stofwolken, soms nevels genoemd, en donkere materie. Sterrenstelsels zijn niet uniform verdeeld over de ruimte. Grote stelsels worden vaak op relatief korte afstand vergezeld van dwergsterrenstelsels. Bijeengehouden door de gravitatiekracht vormen de sterrenstelsels samen opnieuw een verzameling. Dit zijn clusters. Ons Melkwegstelsel en het Andromedastelsel zijn bijvoorbeeld de twee grootste leden van een cluster van enkele tientallen sterrenstelsels die de Lokale Groep wordt genoemd (1.7). Clusters van sterrenstelsels worden vaak genoemd naar het sterrenbeeld waarin ze vanop de aarde te zien zijn. Bekende voorbeelden zijn de Virgocluster en de Herculescluster. 1.6 De Arendnevel Bron: NASA Melkweg Lokale Groep Lokale Netwerk van Supergroep Superclusters 100 000 lichtjaar 7 miljoen lichtjaar 100 miljoen lichtjaar 500 miljoen lichtjaar 1.7 Structuur van het heelal 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 11  4 De Melkweg De Melkweg is het sterrenstelsel waarin onze zon zich bevindt, en dus ook de aarde. Het is de heldere band die ’s nachts onze hemelkoepel overspant. De Melkweg bevat 200 tot 400 miljard sterren. Alle sterren die vanaf de aarde zichtbaar zijn, maken er deel van uit. In zijaanzicht is ons Melkwegstelsel een dunne platte schijf met een centrale verdikking. Daar bevinden zich de meeste sterren in. De ruimte tussen de sterren is niet leeg maar bestaat uit nevels en donkere materie. Donkere materie is materie die zwaartekracht uitoefent maar niet zichtbaar is omdat ze geen licht weerkaatst of uitzendt. Wetenschappers vermoeden dat het overgrote deel van die donkere materie uit onbekende elementaire deeltjes bestaat. De Melkweg heeft een diameter van 100 000 lichtjaar en is 3 000 lichtjaar dik. In bovenaanzicht heeft de Melkweg een spiraalstructuur. De spiraalarmen zijn plaatsen waar stof en gas wordt samengeperst en waar nieuwe sterren geboren worden. 1.8 De Melkweg en de Magelhaense Wolken Onze zon bevindt zich in de Orionarm op zo’n 28 000 lichtjaar van de kern. Onderzoekers hebben ontdekt De bolvormige halo rond de schijf is het gebied waarin de dat de Melkweg, net zoals de meeste sterrenstelsels, gravitatiekracht nog invloed heeft. waarschijnlijk één of meerdere zwarte gaten in zijn kern heeft. Net als andere grotere sterrenstelsels wordt ons Melk­ De platte schijf waarin de spiraalarmen liggen, roteert rond wegstelsel vergezeld door kleine sterrenstelsels die rond zijn kern. De rotatiesnelheid ligt tussen 210 en 235 km/s. de Melkweg draaien. De Grote en de Kleine Magelhaense Zo voltooit onze zon één omwenteling in 225 miljoen jaar. Wolk zijn de bekendste. bovenaanzicht Melkweg zijaanzicht Melkweg Magelhaense wolken ca. 100000 lichtjaar 28 000 lichtjaar kern centrale verdikking kern centrale halo zon verdikking zon schijf 100 000 lichtjaar 1.9 De Melkweg 12 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  5 Een evoluerend heelal Sinds het onderzoek van Georges Lemaître is bekend niet. Het is enkel de ruimte tussen de sterrenstelsels die dat het heelal uitdijt. Hij berekende dat sterrenstelsels uitdijt, waardoor hun onderlinge afstand groter wordt. uit elkaar bewegen met een snelheid die recht evenredig Daarnaast valt er net als op het ballonoppervlak geen is met hun onderlinge afstand. Edwin Hubble toonde ‘middelpunt van het heelal’ aan te wijzen van waaruit alles via observaties met een telescoop de juistheid van de uitdijt. De uitdijing vindt dus overal plaats. berekeningen aan. Het werd de wet van Hubble-Lemaître. Een uitdijend heelal roept allerlei vragen op. Wat dijt er uit? En waar gebeurt die uitdijing? De vergelijking met een ballon waarop je stippen kleeft die sterrenstelsels voorstellen, kan meer inzicht geven. Als je de ballon opblaast, wordt de afstand tussen de stippen groter, maar de stippen zelf veranderen niet van grootte of plaats. Bovendien valt er geen stip aan te wijzen die het middelpunt van de uitzetting is. Net zoals het oppervlak van de ballon wordt het heelal groter. Toch veranderen de onderlinge positie en de grootte van de sterrenstelsels 1.10 De ballonanalogie voor het uitdijend heelal De toekomst van het heelal Of de expansie van het heelal in de toekomst verder doorgaat, Veel wetenschappers beschouwden een Big Crunch als een hangt af van zijn kritische massadichtheid. Dat is de minimale plausibele toekomst voor het universum, tot in 1998 donkere hoeveelheid materie in de bestaande ruimte die nodig is om met energie werd ontdekt, een eigenschap van de ruimte die de zijn gravitatiekracht het heelal samen te houden. Er bestaan expansie van het universum versnelt. Sindsdien zijn de volgende verschillende toekomstscenario’s. scenario’s waarschijnlijker. Big Crunch Big Rip Volgens deze theorie is er zoveel materie dat de massadichtheid Donkere energie versnelt de expansie, waardoor de massadicht- van het heelal de kritische massadichtheid overschrijdt. De gravita- heid van het heelal onder de kritische waarde zakt. In dit scenario tiekracht is groot genoeg om het uitdijen af te remmen en zelfs tot dijt de ruimte tussen en binnen sterrenstelsels zo snel uit dat de stilstand te brengen. Vanaf dit moment beginnen sterrenstelsels gravitatiekracht ze niet langer bij elkaar kan houden. Hierdoor weer naar elkaar toe te bewegen. Het heelal trekt samen en stort wordt alles uit elkaar getrokken: sterrenstelsels, sterren, plane- ineen in een omgekeerde big bang: de Big Crunch. ten en uiteindelijk zelfs atoomkernen. Big Chill Big Rip De theorie van de Big Chill lijkt erg veel op die Big Chill snelheid van kosmische expansie van de Big Rip, alleen wordt volgens dit sce- nario de materie zelf niet uit elkaar getrokken. Door de versnelde expansie gaan sterrenstel- sels steeds verder uit elkaar. Uiteindelijk ver- dwijnen ze uit ons zicht. Door de afnemende massadichtheid kunnen er geen nieuwe ster- ren ontstaan. Bestaande sterren doven uit. Het heelal eindigt als een donkere, koude leegte. Big Crunch big 10 miljard heden toekomst bang jaar geleden 1.11 De evolutie van het heelal 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 13  1.2 Het zonnestelsel Er zijn miljarden sterren in de Melkweg, maar eentje is erg belangrijk voor de aarde: de zon. Rond de zon draaien hemellichamen, kleine en grote. Rond die hemellichamen draaien nog andere hemellichamen. Hoe is die structuur ontstaan? 6 Het ontstaan van de zon 5 MILJARD JAAR 4,6 MILJARD JAAR NU GELEDEN GELEDEN wolk van gas en stof wolk stort ineen door gravitatie tot roterende schijf in centrum van schijf is 99% temperatuur van de massa stijgt geconcentreerd klo vorming van n van teren kernfusies starten planeten sto f manen de ster zon is kometen geboren planetoïden gra vita t ie vorming duurde enkele miljoenen jaren terrestrische planeten dichtbij de zon gasreuzen ver van de zon 1.12 Het ontstaan van het zonnestelsel Een gas- en stofwolk begint zo’n 5 miljard jaar geleden te In de schijf trekt de massa met de grootste gravitatiekracht wervelen. Waarschijnlijk werd dit veroorzaakt door de steeds meer materie aan en vormt ze een centrum in het explosieve dood van een ster in de omgeving. De wolk is midden van de schijf. Meer dan 99 % van de oorspronkelijke ongeveer 100 AE groot en bestaat voornamelijk uit waterstof materie van de wolk wordt in dit centrum samengetrokken. en helium. Door die wervelingen botsen deeltjes en klitten Deze extreme concentratie van massa zorgt ervoor dat de ze samen. Na een periode van tienduizenden jaren zijn deze temperatuur hoog oploopt. Het centrum begint te gloeien. massa’s groot genoeg om door gravitatie andere kleinere Vanaf 10 miljoen graden Celsius start de kernfusie van massa’s naar zich toe te trekken. De gravitatie in de wolk waterstofatomen tot heliumatomen. Bij kernfusie komt is zo groot dat ze in elkaar stort. Het resultaat is een schijf er energie vrij in de vorm van elektromagnetische straling die roteert. (fiche 1). Een ster is geboren. Ze krijgt de naam zon. 14 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte In de ster heerst een evenwicht. De gravitatiekracht die naar binnen toe is gericht, wordt gecompenseerd door een tegenovergesteld gerichte kracht afkomstig van de straling. Op die manier blijft de zon in een stabiele toestand en blijft haar volume gelijk. Wetenschappers berekenden dat er al 4,6 miljard jaar kernfusies plaatsvinden in de kern van de zon. Rond de kern zitten er verschillende schillen van geïoniseerd gas. Door de straling worden de elektronen uit de atomen geduwd en blijven ze geïoniseerd achter. Dergelijk gas wordt ook wel plasma genoemd. 1.13 De zon is een kolkende plasmabol die energie uitstraalt. 1.14 Het kernfusieproces in de zon 1.2 Het zonnestelsel 15  7 Het ontstaan van planeten en manen In de overschotten van de gaswolk zijn kleinere massa’s De uitgestraalde zonne-energie blaast de gassen in de ontstaan op een grote afstand van het centrum. Ze omgeving van de zon weg. Alleen het zwaardere materiaal ondervinden de aantrekking van de zon, maar hun grote blijft over. Daarom zijn de planeten die zich dichter bij de baansnelheid verhindert dat de gravitatiekracht ze naar zon bevinden klein en stenig. Het zijn de terrestrische het centrum trekt. Die kleinere massa’s bewegen in een planeten. Planeten die verder van de zon liggen, op meer baan rond de zon en worden planetesimalen genoemd. dan 5 AE, zijn ook gevormd uit stof maar trekken het door Alle planetesimalen bevinden zich in banen in het vlak van de zonnewind aangevoerde gas aan. Die planeten zijn de draaiende schijf. Dit is het eclipticavlak. groter en gasvormig en worden de gasreuzen genoemd. De verste ijskoude gasreuzen zijn weer wat kleiner omdat Wanneer zo’n planetesimaal groot genoeg is om er minder gas aanwezig is op een grotere afstand van de voldoende gravitatie uit te oefenen, trekt dit object zich zon. samen tot een bolvormige protoplaneet. Als de banen van de verschillende protoplaneten te dicht in elkaars In deze woelige ontstaansgeschiedenis van botsende buurt liggen, trekken deze protoplaneten elkaar aan en massa’s werden ook manen gevormd. Manen zijn smelten ze samen. Zo worden de protoplaneten steeds hemellichamen die rond planeten draaien. Wellicht werd groter. Een protoplaneet wordt een planeet als het object onze maan gevormd toen een protoplaneet zo groot als zijn baan helemaal heeft kunnen leegmaken door zijn Mars op de aarde te pletter sloeg. De aarde verloor een gravitatiekracht: alle massa die de protoplaneet tegenkomt deel van haar buitenkant, en dat puin vormde een ring rond op haar baan wordt aangetrokken en opgenomen door de aarde. Het puin klonterde samen tot onze huidige maan. de (proto)planeet. Het duurt enkele tientallen miljoenen Ook andere planeten van het zonnestelsel hebben jaren om planeten te vormen. De planeet aarde had zo’n manen. De gasreuzen hebben door hun grote massa 30 miljoen jaar nodig om zich te vormen. meer manen dan de kleine terrestrische planeten. Jupiter Bij de vorming van een ster ontstaat een planetenstelsel. heeft 79 manen, waarvan er 53 een naam hebben. De Dat is een systeem van planeten en andere hemellichamen vier grootste, Io, Ganymedes, Europa en Callisto, zijn het die rond de ster bewegen. Het planetenstelsel van onze meest bestudeerd. zon is het zonnestelsel (1.12). De mens brengt ruimtetuigen in een baan rond de aarde, en die bewegen rond de aarde zoals de manen. Ze krijgen daarom de naam kunstmanen. 16 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  Mercurius Venus aarde Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Maan 1.15 De acht planeten en de maan van de aarde in het zonnestelsel 1.2 Het zonnestelsel 17  8 Het ontstaan van andere leden van het zonnestelsel Planetoïden en dwergplaneten Kometen en meteoroïden Ook de vorming van planetoïden en dwergplaneten wordt Door het samenspel van massa en gravitatie worden beïnvloed door het spel van gravitatie. Tussen Mars en sommige objecten in het zonnestelsel in beweging gezet. Jupiter bevindt zich een planetoïdengordel, op ongeveer 2,8 Zo vormen er zich kometen en meteoroïden. AE van de zon. Deze zone bestaat uit allerlei steenachtige kleine objecten of planetoïden. De grote gravitatiekracht Kometen zijn objecten uit de Kuipergordel of Oortwolk. van Jupiter werkte de vorming van volwaardige planeten Door de gravitatiekracht van de zon worden ze verder in tegen. In tegenstelling tot de planeten slagen planetoïden het zonnestelsel getrokken. Zo belanden ze in een baan er niet in het puin in hun omgeving naar zich toe te trekken. rond de zon en wentelen ze periodiek rond de zon (1.19). Hun baan is niet leeg. Wanneer de objecten van ijs, bevroren gassen en stof de zon naderen, sublimeert het ijs en vormt zich een grote Vele planetoïden hebben een onregelmatige vorm. wolk van gassen rond de komeet. De straling van de zon Sommige planetoïden slagen erin om zich bolvormig te en de zonnewind blazen het stof en de gassen weg van de ontwikkelen, zoals Ceres. Bolvormige planetoïden krijgen zon. Er vormen zich een stofstaart en een plasmastaart de naam dwergplaneten. achter de komeet. Wanneer de komeet zich verwijdert van de zon, wijst de staart ook weg van de zon en beweegt Voorbij de planeet Neptunus bevinden zich ook allerlei de staart zich dus voor de komeet. De meeste kometen planetoïden en dwergplaneten. Deze zone, op zo’n 100 AE draaien op grote afstanden van de zon, maar sommige van de zon, is de Kuipergordel. Door hun grote afstand komen zo dicht bij die ster dat ze helemaal verdampen. van de zon bestaan de objecten uit de Kuipergordel Sommige storten te pletter op de zon. Na de doortocht grotendeels uit ijs. Pluto is de bekendste ijsdwerg in de van een komeet kunnen stof en puin achterblijven in het Kuipergordel. Een ander voorbeeld is de dwergplaneet zonnestelsel. Makemake, ontdekt in 2005. Er zijn in het zonnestelsel ook brokstukken, afkomstig van Nog verder van de zon bevindt zich de Oortwolk. Deze botsende planetoïden. Dit stof en puin zijn meteoroïden. wolk bevat miljoenen ijs- en steenachtige objecten. De Als deze meteoroïden zich in de omgeving van de aarde Oortwolk is bolvormig en bevindt zich dus niet enkel in bevinden, kan de planeet deze objecten aantrekken en het eclipticavlak van de aarde. kunnen ze in de atmosfeer terechtkomen. Door de wrijving met de lucht ioniseren de deeltjes. Hierbij is er kortstondig een lichtspoor te zien. Dat is een vallende ster of meteoor. Is het object zo groot dat het niet volledig kan ioniseren, slaat het in op de aarde. Het brokstuk wordt meteoriet genoemd. Een meteoriet kan een inslagkrater veroorzaken. In de omgeving van de aarde bevinden zich verschillende wolken van meteoroïden. Telkens als de aarde zich doorheen zo een wolk van brokstukken beweegt, ontstaan er meteoorregens. In België zijn de Perseïden en Leoniden de 1.16 Planetoïde Gaspra twee belangrijkste meteoorregens die jaarlijks voorkomen. 1.17 Planetoïde en dwergplaneet Ceres 1.18 De komeet Neowise (2020) 18 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  aarde zon stofstaart komeet plasmastaart baan van de komeet 1.19 Beweging en gedaanten van een komeet 1.20 Een meteoor 1.21 Inslagkrater van een meteoriet in Arizona (VS), diameter van de krater is 600 meter, de diepte is ongeveer 120 meter 1.2 Het zonnestelsel 19  9 Structuur van het zonnestelsel Oortwolk Pluto Makemake Jupiter Neptunus Io Uranus Ganymedes Maan Mars Saturnus Venus Europa Kuipergordel planetoïden- gordel zon Mercurius aarde Ceres Zon, planeten en afstanden zijn niet op ware grootte getekend. 1.22 Structuur van het zonnestelsel De zon staat in het centrum van een planetenstelsel: De Kuipergordel ligt ver voorbij Neptunus en bevat naast het zonnestelsel. De zon is een ster en een zeer groot planetoïden ook dwergplaneten. De Oortwolk vormt object in vergelijking met de andere objecten van het de buitenste sfeer van het zonnestelsel. Ze bevindt zich zonnestelsel. In vergelijking met andere sterren is de zon op ongeveer 10 000 AE van de zon. In de Oortwolk een middelgrote ster. ontstaan kometen. Hun banen vallen niet samen met het eclipticavlak. Alle planeten draaien in banen rond de zon in het eclipticavlak. In toenemende afstand van de zon draaien Andere sterren buiten ons zonnestelsel vormen ook eerst de vier kleinere steenachtige terrestrische planeten planetenstelsels. Er zijn dus nog veel meer planeten in ons (Mercurius, Venus, aarde en Mars). Ze worden door de heelal. Planeten buiten ons zonnestelsel zijn exoplaneten planetoïdengordel gescheiden van de vier gasreuzen (fiche 1). Aangezien er veel exoplaneten zijn, is er een reële (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus). kans dat zich ergens een vorm van leven ontwikkelt. Hoewel de planeten in tegenstelling tot de sterren geen lichtstraling uitzenden, kun je ze toch waarnemen aan de hemelkoepel omdat ze het zonlicht reflecteren. 20 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 10 De evolutie van de zon Het Hertzsprung-Russelldiagram Aan de sterrenhemel zijn niet alle licht­puntjes even groot, verticale as staat de (absolute) helderheid. Onderaan staan en ze hebben ook niet allemaal dezelfde kleur. De kleur van de sterren met de zwakste helderheid. Bovenaan staan de een ster is afhankelijk van haar oppervlaktetemperatuur. helderste sterren. De sterren zijn in het HR-diagram ook Hoe heter het oppervlak van de ster, hoe blauwer ze is. gegroepeerd naar volume. Onderaan links in het diagram Hoe koeler het oppervlak, hoe roder. De sterren worden staan de kleine sterren of dwergen. Bovenaan rechts staan op basis van oppervlaktetemperatuur gesorteerd van heet de grote sterren: de reuzen en de superreuzen. naar koel. Ze worden aangeduid met de letters O, B, A, F, G, K en M, waarbij O staat voor de sterren met de hoogste In het Hertzsprung-Russelldiagram staan de sterren niet oppervlaktetemperatuur. willekeurig verdeeld. De meerderheid van de sterren bevindt zich in een centrale zone die diagonaal van De helderheid van een ster is een tweede belangrijk linksboven naar rechtsonder loopt. Die centrale zone heet kenmerk. Vanaf de aarde zie je de schijnbare helderheid de hoofdreeks: ze bevat hete, blauwe en zeer heldere van de sterren. De schijnbare helderheid van een ster sterren maar ook koele, rode en lichtzwakke sterren. De hangt af van haar afstand tot de aarde. Een ster die veel zon bevindt zich in de hoofdreeks. Er komen ook sterren licht uitzendt, is vanaf de aarde minder helder te zien voor buiten de hoofdreeks. Twee zones vallen op. Er is als ze veraf staat. Om de sterren met elkaar te kunnen een zone met de rode reuzen. Deze sterren zijn helder en vergelijken, wordt hun schijnbare helderheid omgerekend hebben een lage oppervlaktetemperatuur. In de andere alsof ze allemaal op dezelfde afstand van de aarde staan. zone bevinden zich de witte dwergen. Deze sterren zijn Die omgerekende helderheid is de absolute helderheid. heter en minder helder. De absolute helderheid van de zon is de referentiewaarde waarmee de absolute helderheid van andere sterren Deneb 106 wordt vergeleken. B centauri Betelgeuze 105 SUPERREUZEN Wetenschappers delen de sterren in op basis van hun oppervlaktemperatuur 104 Rigel en hun (absolute) helderheid. Die Antares levensduur Canopus twee parameters geven aanwijzingen 103 107 j REUZEN HOOFD REEKS over de levensloop van de sterren. De classificatie en de levensloop van 102 sterren wordt weergegeven in het Vega Hertzsprung-Russelldiagram 10 Sirius helderheid (HR-diagram). De horizontale as van levensduur 109 j het diagram geeft de oppervlakte­ 1 temperatuur van de sterren weer. Zon Rechts staan de rode, koele sterren en 0.1 levensduur links de blauwe, warme sterren. Op de 1010 j 10 –2 Sirius B WITTE levensduur DWERGEN 1011 j 10 –3 Proxima centaure 10 –4 10–5 O B A F G K M 30,000 10,000 6,000 3,000 oppervlakte temperatuur °Kelvin 1.23 Het Hertzsprung-Russelldiagram 1.2 Het zonnestelsel 21  Evolutie van een middelgrote ster zoals de zon De mens kan het volledige leven van een ster niet 5 Als alle helium is opgebruikt, stopt ook het tweede waarnemen omdat dat miljoenen tot miljarden jaren kernfusieproces. De gravitatiekracht domineert duurt. Door naar verschillende sterren te kijken, zien opnieuw en de ster krimpt. Tijdens de samentrekking wetenschappers wel de verschillende fasen van het leven is de temperatuur nog zeer hoog, zodat de ster wit van een ster. Een ster maakt een levensloop mee van licht uitzendt. geboorte tot dood. Het HR-diagram toont die levensloop. Een ster start in de hoofdreeks maar verlaat die dan, en 6 De ster bereikt de fase van witte dwerg. De dichtheid evolueert in helderheid, kleur, temperatuur en volume. De in de ster is zo groot dat de inkrimping stopt. massa bepaalt de levensloop van de ster. 7 Langzaam daalt de temperatuur in de witte dwerg. De 1 In een gas -en stofwolk is een massa zo sterk samen­ energieproductie vermindert. Na een lange afkoeling getrokken dat ze begint te gloeien: de heldere fase. blijft de ster achter als een grote massa donkere koude koolstof. Sommige publicaties spreken van de fase van 2 De geboorte van een ster start met kernfusies. Bij de zwarte dwerg. Het heelal is nog niet oud genoeg om fusie van waterstofatomen tot heliumatomen treedt deze fase waar te nemen. massaverlies op, maar deze verloren massa wordt De zon is een voorbeeld van een middelgrote ster omgezet in energie zoals de formule van Einstein en volgt dezelfde levensloop. Ze bevindt zich al 4,6 E = m.c2 (m = massa, c = lichtsnelheid) aangeeft. Het miljard jaar in de hoofdreeks en zal het er nog 5,5 kernfusieproces levert dus energie. miljard uithouden. Ze zal evolueren tot een rode reus Eens de ster aan kernfusie doet, bevindt ze zich in en daarna tot een witte dwerg. de hoofdreeks. De kernfusie gaat verder zolang er waterstofatomen in de kern van de ster aanwezig zijn. 8 Soms gebeurt het dat er niet voldoende massa is Op een gegeven moment zijn er niet meer voldoende samengetrokken om de kernfusies op te starten. De waterstofatomen. De energieproductie stopt en de massa krimpt dan tot een bruine dwerg, met een naar buiten gerichte kracht van de energiestraling massa tussen een planeet en een ster in. vermindert. De gravitatiekracht domineert en doet de kern van de ster krimpen. De massa van de ster absolute helderheid wordt sterker in elkaar geperst en de temperatuur in het binnenste van de ster stijgt. 10 000 3 In de lagen rond de kern van de ster is nog wel waterstof 9 aanwezig. De stijgende temperatuur doet ook in die lagen een kernfusie starten. De energieproductie van die lagen maakt de ster helderder en doet ze opzwellen. Z₂ 100 De ster verlaat de hoofdreeks. 4 ho De uitgestraalde energie wordt over een groter of dr 3 ee oppervlak verdeeld, waardoor dat oppervlak afkoelt ks en rood verkleurt. z ster van 1 zonnemassa Z 1 1 heldere fase 2 1 2 fase in hoofdreeks 4 Na ongeveer 1,5 miljard jaar bereikt de ster het stadium 3 uitdijing van rode reus. Tijdens die evolutie blijft de kern 5 4 rode- reusfase krimpen en loopt de temperatuur alsmaar hoger op. 5 samentrekking 0,01 Een nieuwe fusiereactie start in de kern bij 100 miljoen 6 witte-dwergfase graden Celsius: heliumatomen worden omgezet in 7 zwarte-dwergfase Z₁ koolstof. De energie bij die ontsteking is zo groot dat z1 ster van ¼ van de zonnemassa de buitenste lagen van de ster weggeblazen worden. 8 bruine dwerg 0,0001 Ongeveer één derde van de massa verdwijnt naar de 6 z2 ster van 10 zonnemassa’s 9 superreus ruimte en vormt daar een planetaire nevel. 8 7 50 000 6000 3000 (°C) oppervlaktetemperatuur 1.24 De levensloop van sterren 22 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 1.25 Betelgeuze, een rode reus en Rigel, een blauwe reus in het sterrenbeeld Orion De zon ontstond ongeveer 4,6 miljard jaar geleden met de start van de kernfusies bij 10 miljoen °C. Als ze 10 miljard jaar oud is, verlaat ze de hoofdreeks. Ze evolueert naar de groep rode reuzen. De evolutie duurt ongeveer 1,5 miljard jaar. In de fase van rode reus zal de straling van de zon 100 keer groter zijn dan de huidige. Mercurius en Venus worden door de zon opgeslokt. De helderheid van de zon wordt 500 keer sterker. Dat heeft grote gevolgen voor de aarde: het aardoppervlak is dan een zee van gesmolten lava en de temperatuur van de atmosfeer stijgt tot ongeveer 2 000 °C. De zon verblijft ongeveer 250 miljoen jaar in de fase van rode reus en start dan de evolutie naar witte dwerg. Als ze die fase bereikt, is ze ongeveer 15 miljard jaar oud. In de wittedwergfase valt de helderheid van de zon terug naar 0,1 % van de huidige helderheid. De zon is dan nog zo groot als de aarde. Het duurt nog miljarden jaren eer de zon zodanig is afgekoeld dat ze geen licht en warmte meer uitzendt. 1.26 De zon: een levensloop van miljarden jaren 1.27 NGC 6891, een planetaire nevel Bron: NASA 1.2 Het zonnestelsel 23  Het leven van zware sterren Zware grote sterren hebben een eigen levensloop. Sterren atoomsoorten gevormd en de ruimte in geslingerd: dit zijn met een massa die tien keer zo groot is als de massa van de de bouwstenen van nieuwe sterren en stofwolken zoals zon verbruiken hun voorraad aan waterstof en helium al in die waaruit de aarde is gevormd. enkele miljoenen jaren. Als de heliumfusie stopt, krimpt de ster snel, en door de grotere massa stijgen de temperaturen De verdere evolutie na de supernovafase wordt beïnvloed zo sterk dat ook zware elementen gevormd worden. Bij door de massa van de ster. Bij grote sterren wordt de alsmaar hogere temperaturen worden neon, zuurstof en massa door de zwaartekracht verder in elkaar geperst. silicium gevormd. Uiteindelijk vormt zich ijzer uit silicium Uiteindelijk worden de elektronen tot tegen de protonen in bij 1 à 2 miljard °C. Door de enorme energieproductie de kern van het atoom geduwd. Er vormen zich neutronen. zwelt de ster op tot een superreus. De ster eindigt als een neutronenster met een diameter van 16 km en een dichtheid van vele miljarden kg/m3. Bij de vorming van ijzer stopt de kernfusie. Om nog zwaardere elementen te vormen, is er niet voldoende Bij sterren met meer dan 30 zonnemassa’s is de energie. Door de enorme zwaartekracht van al het gravitatiekracht oneindig groot. De ster blijft ineenstorten ijzer in de kern van de ster stort de ster in elkaar. Dat en dat wordt niet afgeremd. Ze wordt samengeperst tot zorgt voor schokgolven die de ster doen exploderen. De een punt met een oneindige grote dichtheid: alle massa is ontploffende ster is zo helder dat ze gedurende enkele omgezet in energie. De zwaartekracht is er zo extreem dat dagen even helder wordt als een sterrenstelsel met niets kan ontsnappen, zelfs het licht niet: een zwart gat. miljarden sterren. Dat heet een supernova. Het is een Dat is niet rechtstreeks waarneembaar, maar astronomen belangrijk fenomeen in het heelal. Enerzijds brengen de ontdekten een uitstoot van x-stralen vlak bij dergelijke schokgolven van een supernova de vorming van nieuwe zwarte gaten. Ze vermoeden dat dit de straling is van sterren op gang. Anderzijds worden bij de explosie alle elektronen die versnellen in het zwart gat. miljard jaar 4,6 10 11 14 middelgrote rode reus planetaire witte ster nevel dwerg geboorte neutronen- gaswolk ster zwart gat zware superreus supernova ster 10 à 50 miljoen jaar 1.28 De evolutie van sterren 24 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte Zonnecyclus Ook op een kleinere tijdschaal evolueert de zon. De Als de geladen zonnedeeltjes in de atmosfeer terechtkomen, wetenschapper Galileo Galilei zag al in de 17de eeuw vlekken kan de lucht oplichten en ontstaat het poollicht of aurora op het zonneoppervlak. Hij ontdekte ook een periodieke borealis (noorderlicht) en aurora australis (zuiderlicht). evolutie. De zonnevlekken zijn koelere plekken op het oppervlak. Hun aantal varieert. Soms zijn er meer koele Het aards magnetisch veld beschermt de aarde tegen vlekken en soms minder. Op langere termijn herhaalt deze de zonnewinden. Aan de polen komen de magnetische zonnecyclus zich met intervallen van negen tot vijftien jaar. veldlijnen samen en zorgen ze voor een soort trechter waardoor de geladen zonnedeeltjes in de atmosfeer raken. De zonnecyclus wijst op een verandering in zonneactiviteit. In de atmosfeer ioniseren die deeltjes het stikstof- en Als de zon het actiefst is, wordt op sommige plaatsen het zuurstofgas. Bij het ioniseren gaan de atomen gloeien en transport van energie van de kern naar het zonneoppervlak ontstaat het poollicht. Bij een echte zonnestorm kunnen gehinderd. Dat zorgt voor koelere plekken aan het de plasmawolken elektriciteits- en communicatiestoringen oppervlak. Tegelijkertijd stoot een actieve zon ook op aarde veroorzaken. meer geïoniseerd gas uit. Deze stromen van geladen Zo kun je de ongeveer elfjarige cyclus van de zon ook deeltjes worden de zonnewind of zonnestorm genoemd. volgen in het al dan niet voorkomen van het poollicht. 1.29 Zonnevlekken 1.30 Zonnecyclus (Zonnecyclus 23 sinds 1755) 1.31 Poollicht Bron: NASA 1.32 Aantal zonnevlekken sinds 1750 en 2010 1.2 Het zonnestelsel 25  1.3 Het ontstaan van het systeem aarde De aarde is een onderdeel van het zonnestelsel. Ze is gevormd samen met de andere planeten. Toch is ze uniek door de aanwezigheid van de atmosfeer en de hydrosfeer. Vanwaar komt het water en de lucht rond de aarde? En hoe is de planeet opgebouwd? 11 Het systeem aarde Het systeem aarde heeft vier hoofdrolspelers: de geosfeer, zon langgolvige de atmosfeer, de hydrosfeer en de biosfeer. De hydrosfeer straling kortgolvige omvat al het water; het water in vaste vorm zoals sneeuw, atmosfeer straling ijs, permafrost wordt ook aangeduid als cryosfeer. Deze sferen zijn met elkaar verbonden via complexe relaties die hier en in de volgende hoofdstukken worden uitgediept. Het volledige systeem aarde staat bovendien in relatie tot de zon: de zon levert de noodzakelijke energie voor het hele systeem. De koolstofcyclus komt voor in de vier sferen en is een mooi voorbeeld van hoe de sferen met elkaar verbonden biosfeer geosfeer hydrosfeer zijn. 1.33 Het systeem aarde 1.34 De vulkaan Anak Krakatau (Indonesië) Hier volgen enkele voorbeelden van hoe de sferen elkaar beïn- vloeden. De geosfeer oefent via vulkanisme een invloed uit op de atmosfeer. Via geomorfologische processen zoals verwering en erosie hebben de atmosfeer en de hydrosfeer een invloed op de lithosfeer. Elke sfeer staat in relatie met de biosfeer omdat het leven op aarde wordt beïnvloed door alle sferen maar ze er zelf ook een invloed op uitoefent. 1.35 Erosie door de Kleine Kyll, Manderscheid (Duitsland) 26 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 12 De geosfeer Het ontstaan van de geosfeer De aarde ontstaat 4,5 miljard jaar geleden uit een Langzaam koelt de planeet af. De ordening van de materie verdichting van een gas- en stofwolk. De zwaartekracht blijft bewaard en zorgt voor een schilvormige opbouw. trekt deze wolk samen tot een hete en taaivloeibare Do+or de afkoeling van de planeet krijgt de buitenkant planeet. Onder invloed van diezelfde kracht gebeurt van de planeet een vaste korst. Binnen in de planeet zijn er een ordening van de materie. Lichtere chemische er nog vloeibare en taaivloeibare lagen. Alle schillen bij elementen komen bovendrijven en vormen de aardkorst. elkaar noemen wetenschappers de geosfeer. De zwaardere bestanddelen zoals ijzer en nikkel zinken naar het binnenste van de planeet en vormen de kern. a de vroege aarde was b zware chemische c het resultaat is een waarschijnlijk een elementen zoals ijzer planeet met schilvormige homogeen, taai zonken naar beneden opbouw vloeibaar geheel en lichtere kwamen bovendrijven 1.36 Ordening van de materie met een schilvormige structuur als resultaat Concentrische opbouw van de geosfeer Onderzoek toont aan dat de aarde is opgebouwd uit lagen of schillen. Deze indeling van het binnenste van de aarde is gebaseerd op directe waarnemingen aan de hand van boringen en op indirecte waarnemingen via aardbevingsgolven. Boringen in de aarde gebeuren om uiteenlopende redenen: om te zoeken naar fossiele brandstoffen, voor de studie van de warmteverschijnselen in de aarde (geothermie), of om kennis te vergaren over de ondergrond. Slechts een kleine fractie van de aardstraal is verkend met boringen. De diepste boringen gaan tot ongeveer 12 km in de aarde. De seismologie is de studie van de aardbevingsgolven. Aardbevingsgolven worden opgewekt door aardbevingen, maar ook wetenschappers kunnen de aarde doen trillen. De manier waarop deze seismische golven zich voortplanten door verschillende lagen in de ondergrond, leert geologen iets over het binnenste van de aarde. 1.37 Boorkernen uit de ondergrond van Westmalle: de buizen zijn 1 meter lang en genummerd volgens toenemende diepte. 1.3 Het ontstaan van het systeem aarde 27  Korst Continentale korst Oceanische korst zuurstof (46,6%) Continent 20-70 km 5-10 km silicium (27,7%) aluminium (8,1%) d=3,2 Oceaan ,7 ijzer (5,0%) d=2 d=3,3 kg/dm3 calcium (3,6%) kalium (2,8%) (v) natrium (2,6%) d=3 ca. 6 (v) magnesium (2,1%) 0 km Lithosfeer m (pl) 3 00 k 150- Asthenosfeer 660 km (v) Fase-overgang Mantel zuurstof (44,8%) silicium (21,5%) Ondermantel magnesium (22,8%) n) Che ppe schaen gsei app misc comp d=5,5 d=9,5 2890 min sch gen km he e ositie (vl) (stro igen igen ogie e e Buitenkern scha reol Fysich Kern ppe d=11 ijzer (90%) d=12 5150 k n nikkel (10%) m (v) Binnenkern 6371 km 1.38 De structuur van de aarde (niet op schaal) 28 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte Indeling van de aarde op basis van Indeling van de aarde op basis van fysische eigenschappen chemische eigenschappen De aarde kan op basis van de fysische toestand van De buitenste vaste schil van de aarde is de aardkorst. de ondergrond worden ingedeeld in lagen. Vooral de De aardkorst is het bovenste gedeelte van de lithosfeer. Ze aggregatietoestand van de gesteenten is dan belangrijk. bestaat voornamelijk uit de lichtere chemische elementen zuurstof en silicium, maar is verre van homogeen. Het bovenste gedeelte van de aarde, dat uit vaste Onderzoek toonde grote verschillen aan tussen de korst op gesteenten bestaat, wordt de lithosfeer genoemd. Onder de oceaanbodem en die op het continent. De continentale de lithosfeer, op een diepte van enkele kilometers onder korst heeft in vergelijking met de rest van de geosfeer de oceanen en tot bijna 100 km onder de continenten, een kleinere massadichtheid en bestaat naast zuurstof bevindt zich een plastische of taaivloeibare gesteentelaag. en silicium voornamelijk uit aluminium. De oceanische Deze laag is gedeeltelijk gesmolten (ongeveer 1 %) en heet korst heeft een grotere massadichtheid en bevat veel de asthenosfeer. De vaste lithosfeer ‘drijft’ dus als het magnesium. De oceanische korst is vrij dun: ongeveer ware op de plastische asthenosfeer. 7 tot 10 km. De dikte van de continentale korst kan sterk De grens tussen beide lagen wordt bepaald door de verschillen maar beslaat gemiddeld zo’n 35 tot 40 km. temperatuur. Vanaf een temperatuur van 1 280 °C gaan bepaalde mineralen zich plastisch gedragen. Onder de aardkorst bevindt zich de mantel. Deze laag is chemisch veel homogener en bestaat voornamelijk Tussen 410 en 670 km diepte bevindt zich een derde laag, uit zuurstof, silicium en magnesium. De mantel reikt tot die de ondermantel wordt genoemd. Deze laag bestaat 2 900 km diepte en omvat een deel van de lithosfeer en opnieuw uit vast materiaal. de volledige asthenosfeer. Ten slotte is er de kern van de aarde. Die bestaat uit een Op 2 900 km diepte vinden wetenschappers een duidelijke vloeibare buitenkern en een vaste binnenkern waar de grens. Seismische golven gedragen zich hier heel anders druk zo groot is dat gesteenten niet in een vloeibare vorm (fiche 3). Hier begint de kern. Die bestaat voornamelijk uit kunnen voorkomen. Ongeveer de helft van de dikte van ijzer en nikkel. De druk is hier meer dan drie miljoen keer de aarde bestaat uit de kern, terwijl de lithosfeer maar 1 % de luchtdruk aan het aardoppervlak, en de temperatuur van de dikte uitmaakt. loopt er op tot 5 000 tot 6 000 °C. satellietontvangers Olie-exploratie is één van de toepas- singen van seismologie. Een schip trekt een geluidsbron en -ontvanger achter zich aan in het water. De bron onderwater- zendt golven uit door het water en de ontvanger geluidsbron gesteente eronder. De golven weer- kaatsen en breken op de verschillende gesteentelagen en worden door de ontvangers gedetecteerd, waarna de zeebodem vorm van de lagen mooi in beeld kan gebracht worden. Bij olie-exploratie worden gesteentestructuren gezocht zoals plooien omdat daar eventueel olie onder zit. reservoirgesteente afdekkende gesteentelaag olie zoutkoepel 1.39 Olie zoeken met behulp van seismische golven 1.3 Het ontstaan van het systeem aarde 29  13 Het ontstaan van atmosfeer en hydrosfeer Primaire atmosfeer Het ontstaan van de hydrosfeer (van 4,5 tot ca. 3,8 miljard jaar geleden) Vloeibaar water komt waarschijnlijk allang voor op De atmosfeer zoals ze nu is, verschilt sterk van de eerste aarde. Toen de jonge aarde voldoende was afgekoeld, gaslaag rond de aarde. In een eerste fase bestond de condenseerde de waterdamp – die onder meer door atmosfeer van de aarde louter uit de in het heelal meest ontgassing in de atmosfeer was terechtgekomen – tot voorkomende chemische elementen: waterstof en helium. water. Er vormden zich wolken en er viel neerslag. Het De redelijk kleine aarde kon – in tegenstelling tot grotere water verzamelde zich op de laagste plaatsen op het planeten zoals bijvoorbeeld Jupiter – de lichte gassen aardoppervlak en vormde zo de oceanen. Vermoedelijk waterstof en helium niet lang vasthouden, waardoor ze waren vier miljard jaar geleden de eerste oceanen al weglekten naar de ruimte. aanwezig en kreeg de aarde haar blauwe uiterlijk. Elke druppel in de oceanen is dus miljarden jaren oud. Al het water dat de geosfeer bedekt, vormt de hydrosfeer. Secundaire atmosfeer (van ca. 3,8 tot 2,5 miljard jaar geleden) Een kosmisch bombardement op de jonge aarde zorgde De vulkanische activiteit van een nog steeds jonge aarde voor inslagen van kometen en meteorieten die water zorgde voor een tweede, veel densere atmosfeer. Aan bevatten. De oorsprong van het water op aarde is dus het jonge aardoppervlak ontstonden vulkanen, waardoor ten dele buitenaards. heet gesmolten gesteente en gassen uit het binnenste In de vroege oceanen werd koolstofdioxide opgenomen, van de aarde vrijkwamen. Dit vrijkomen van gassen uit waardoor de koolstofdioxide­concentratie in de atmosfeer het binnenste van de aarde heet outgassing of ontgassing geleidelijk begon af te nemen (1.43). De samenstelling van en is vandaag nog steeds aan de gang. De secundaire de atmosfeer veranderde. atmosfeer bestond o.a. uit waterdamp, een klein beetje stikstofgas en veel koolstofdioxide. Dit laatste in véél grotere hoeveelheden dan nu, met een sterk broeikaseffect Tertiaire atmosfeer (van 2,5 miljard jaar geleden tot nu) tot gevolg. Deze atmosfeer was bijgevolg goed in staat om de energie van de zon vast te houden, waardoor de Aanvankelijk was er geen vrije zuurstof in de atmosfeer secundaire atmosfeer heel heet was. In die atmosfeer aanwezig, maar door de fotosynthese van eencellige kwam bovendien nog geen vrije zuurstof voor. Het leven organismen in de oceanen werd koolstofdioxide op het land was op dat moment niet mogelijk. opgenomen en zuurstof geproduceerd. Die eerste geproduceerde zuurstof werd meteen vastgelegd in gesteenten. Opgelost ijzer in de oceanen reageerde H₂ met zuurstof, waardoor er ijzeroxiden ontstonden. Die H₂ H₂ He sloegen neer op de bodem van de oceanen en vormden CO₂ H₂O ijzerhoudende gesteentelagen (banded iron formations). H₂O CO₂ H₂O Toen het opgeloste ijzer in de oceanen volledig was N₂ opgebruikt, kon de beschikbare zuurstof toenemen in de atmosfeer (1.42). De daling van het koolstofdioxidegehalte in de atmosfeer had tot gevolg dat de temperatuur op aarde drastisch 1.40 Door komeetinslagen en outgassing ontstonden de atmosfeer en daalde: de aarde kwam in een wereldomvattende ijstijd de hydrosfeer. terecht. Bijna de hele aarde werd bedekt door een ijslaag: de cryosfeer. Wetenschappers spreken soms van een sneeuwbalaarde. De cryosfeer wordt gezien als een onderdeel van de hydrosfeer. 30 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  Banded iron formations in West-Australië De ijzerrijke gesteenten vind je vooral terug in heel oude De gemiddelde temperatuur op aarde gesteentelagen die meer dan bedroeg -20 °C. De uitgebreide cryosfeer 2,5 miljard jaar geleden gevormd zorgde voor een positieve terugkoppeling werden op de bodem van de oce- in het klimaat. De grote oppervlakten ijs aan. In continentale gesteenten weerkaatsten veel zonlicht, waardoor de van ongeveer 2,3 miljard jaar oud wordt ook ijzeroxide gevonden. aarde nog sterker afkoelde. Dat toont aan dat er sindsdien zuurstof aanwezig is in de atmo- Het smelten van de sneeuwbalaarde sfeer, waardoor ijzer op het land was waarschijnlijk het gevolg van een kon oxideren. toenemende hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer. Koolstofdioxide kwam 1.41 Banded iron formations vrij bij ontgassing en werd door de grote ijsbedekking van de aarde niet meer 40 opgenomen door de oceanen. Hierdoor percentage O₂ Evolutie van percentage zuurstof in de atmosfeer steeg geleidelijk de concentratie in de atmosfeer en werd het weer warmer. 30 De huidige atmosfeer Miljoenen jaren lang bouwde zich door de fotosynthese van het leven in de oceanen 20 een zuurstofconcentratie op in de aardse atmosfeer. Onder invloed van de uv-stralen van de zon kwam er ook een dunne ozonlaag tot ontwikkeling. Ozon houdt 10 de schadelijke uv-stralen van de zon tegen. Ongeveer 600 miljoen jaar geleden was de ozonlaag voldoende dik om het leven op 0 (nu) het land te beschermen. Sindsdien kon het 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 leven zich ten volle ontwikkelen. miljoen jaar geleden 1.42 Evolutie van het percentage zuurstof in de atmosfeer 12,5 percentage CO₂ Evolutie van percentage koolstofdioxide in de atmosfeer 10 7,5 5 2,5 0 (nu) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 miljoen jaren geleden 1.43 Evolutie van het percentage koolstofdioxide in de atmosfeer 1.3 Het ontstaan van het systeem aarde 31  14 Opbouw van de huidige atmosfeer De atmosfeer is het resultaat van een complexe interactie tussen de geosfeer, de hydrosfeer en de biosfeer. Op basis van de verandering van de temperatuur in de hoogte wordt de atmosfeer ingedeeld in vijf lagen. Deze lagen worden van elkaar gescheiden door zogenaamde pauzes. exosfeer 1 000 hoogte in km luchtdruk thermopauze thermosfeer 100 0.001 mb AT M O S F E E R mesopauze 80 0.01 mb mesosfeer 0.1 mb 60 stratopauze 1 mb 40 10 mb stratosfeer 20 100 mb tropopauze troposfeer 0 1 000 mb -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 1 000 temperatuur in °C Ar CO2 CO2 H O andere H andere 2 O2 N Ar He O3 O2 O NO N2 N2 N2 troposfeer stratosfeer mesosfeer, - samenstelling thermosfeer bij droge lucht & exosfeer 1.44 Opbouw van de atmosfeer 32 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte De troposfeer De thermosfeer In de onderste 10 km van de atmosfeer of de troposfeer Tussen 85 km en 500 km hoogte is de lucht zo ijl dat de doet de zonne-energie alle weerprocessen ontstaan. Deze temperatuur enkel het gevolg is van de stralingswarmte zone krijgt ook de naam weersfeer. De troposfeer bevat van de zon. De energie van de zon kan hier ongehinderd bijna 80 % van alle massa van de atmosfeer. De lucht in de invallen, waardoor een object kan opwarmen tot 1 600 °C. troposfeer bestaat uit 78 % stikstof en 21 % zuurstof. De In dit gebied worden ook de radiogolven teruggekaatst restfractie van ongeveer 1 % bestaat uit argon en in zeer die door kortegolfzenders overal op aarde ontvangen geringe mate (0,04 %) uit koolstofdioxide (1.44). De vrije kunnen worden. In deze sfeer ioniseren de deeltjes door zuurstof in de atmosfeer is afkomstig van de fotosynthese de invallende zonnewind. Daarom wordt deze zone ook van planten. De vrije zuurstof is de belangrijkste de ionosfeer genoemd: hier ontstaat het poollicht. voorwaarde voor de ademhaling van organismen op aarde: zonder zuurstof in de atmosfeer is er op aarde geen leven Op 100 km hoogte bevindt zich de Kármánlijn, een door mogelijk. de NASA willekeurig vastgelegd vlak in de atmosfeer dat aangeeft vanaf welke hoogte de ruimte begint. Onder Het temperatuurverloop in de troposfeer is het gevolg van deze lijn wordt het licht van de zon verstrooid, waardoor de opwarming van het aardoppervlak door het inkomende